(57)【要約】【課題】  本発明の目的は、高速過負荷領域の回転電機の力率を向上できる永久磁石式回転電機を提供することにある。【解決手段】  分布巻の電機子巻線が施された固定子と永久磁石の形状を一文字形状とし、回転子鉄心のｄ軸側の外径を２段にして２種類のギャップを形成し、回転子鉄心の外周面のｑ軸側の一部を２段にカットしたことにより、永久磁石の磁束を増大させてｄ軸側のリアクタンスを減少させ、かつｑ軸側のリアクタンスを減少させているのでリアクタンストルクを発生させるための磁束が減少する結果、高速過負荷領域でリアクタンスが小さくなって力率が向上し、電流の増加を抑えることができる。また、位置センサレスの１８０度電圧形インバータで駆動しても安定した制御性能が得られる永久磁石式回転電機を提供できる。【選択図】図１
2006101608.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定子鉄心に形成された複数のスロット内に電機子巻線が施された固定子を有し、回転子鉄心中の複数の永久磁石挿入孔に永久磁石を配置した回転子が、該固定子の内周にギャップを介して回転軸により回転自在に支承された永久磁石式回転電機において、前記永久磁石の磁束軸をｄ軸、該ｄ軸と電気角で直交する軸をｑ軸とした時、前記回転子鉄心の外周面のｑ軸側の一部をカットしたことを特徴とする永久磁石式回転電機。
【請求項２】
固定子鉄心に形成された複数のスロット内に電機子巻線が施された固定子を有し、回転子鉄心中の複数の永久磁石挿入孔に永久磁石を配置した回転子が、該固定子の内周にギャップを介して回転軸により回転自在に支承された永久磁石式回転電機において、前記永久磁石の磁束軸をｄ軸、該ｄ軸と電気角で直交する軸をｑ軸とした時、該永久磁石の形状を一文字形状とし、前記回転子鉄心の外周面のｑ軸側の一部をカットしたことを特徴とする永久磁石式回転電機。
【請求項３】
固定子鉄心に形成された複数のスロット内に電機子巻線が施された固定子を有し、回転子鉄心中の複数の永久磁石挿入孔に永久磁石を配置した回転子が、該固定子の内周にギャップを介して回転軸により回転自在に支承された永久磁石式回転電機において、前記永久磁石の磁束軸をｄ軸、該ｄ軸と電気角で直交する軸をｑ軸とした時、該永久磁石の形状を一文字形状とし、前記回転子鉄心の外周面のｑ軸側の一部を２段にカットしたことを特徴とする永久磁石式回転電機。
【請求項４】
固定子鉄心に形成された複数のスロット内に電機子巻線が施された固定子を有し、回転子鉄心中の複数の永久磁石挿入孔に永久磁石を配置した回転子が、該固定子の内周にギャップを介して回転軸により回転自在に支承された永久磁石式回転電機において、前記永久磁石の磁束軸をｄ軸、該ｄ軸と電気角で直交する軸をｑ軸とした時、該永久磁石の形状を一文字形状とし、前記回転子鉄心のｄ軸側の外径を２段にして２種類のギャップを形成し、該回転子鉄心の外周面のｑ軸側の一部を２段にカットしたことを特徴とする永久磁石式回転電機。
【請求項５】
固定子鉄心に形成された複数のスロット内に電機子巻線が施された固定子を有し、回転子鉄心中の複数の永久磁石挿入孔に永久磁石を配置した回転子が、該固定子の内周にギャップを介して回転軸により回転自在に支承された永久磁石式回転電機において、前記永久磁石の磁束軸をｄ軸、該ｄ軸と電気角で直交する軸をｑ軸とした時、該永久磁石の形状を一文字形状とし、前記回転子鉄心のｄ軸側の外径を２段にして２種類のギャップを形成し、該ギャップの最小ギャップとなる磁極鉄心の開度を電気角で９０度近傍に、別のギャップとなる磁極鉄心の開度を電気角で１２０度近傍に設定し、該回転子鉄心の外周面のｑ軸側の一部を２段にカットしたことを特徴とする永久磁石式回転電機。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５に記載の永久磁石式回転電機において、前記回転子鉄心のｄ軸側の磁極鉄心にスリットを形成したことを特徴とする永久磁石式回転電機。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６に記載の永久磁石式回転電機において、前記永久磁石式回転電機を位置センサレスの１８０度電圧形インバータで運転することを特徴とする永久磁石式回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、界磁用の永久磁石を回転子に備えている永久磁石式回転電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の永久磁石式回転電機においては、リラクタンストルクの有効利用による回転電機の効率向上が図られている。例えば、特開２０００−３３３３９１号公報に記載の永久磁石式回転電機においては、分布巻の電機子巻線を備え、回転子鉄心中に永久磁石挿入孔を設けて永久磁石を配置し、この永久磁石間の極間鉄心を大きくすることが提案されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−３３３３９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記従来技術では、回転子鉄心中に永久磁石挿入孔を設けて永久磁石を配置し、この永久磁石間の極間鉄心幅を大きくすることによって横軸リアクタンスを大きくしてリラクタンストルクを発生させ、回転電機の効率を向上させるものである。しかしながら、リラクタンストルクを発生させるためには磁束を必要とし、磁束が流れるとリアクタンスが大きくなって高速過負荷領域では力率が低下し、却って電流が増加するという課題がある。電流が増加すると、大容量のインバーターを使用する必要があり、コストアップの原因となる。なお、リアクタンスとは電機子巻線が作る磁束によるインピーダンスのことである。
【０００５】
本発明の目的は、高速過負荷領域の回転電機の力率を向上できる永久磁石式回転電機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一つの特徴は、永久磁石式回転電機を、固定子鉄心に形成された複数のスロット内に分布巻の電機子巻線が施された固定子を有し、回転子鉄心中の複数の永久磁石挿入孔に永久磁石を配置した回転子が、固定子の内周にギャップを介して回転軸により回転自在に支承された永久磁石式回転電機において、永久磁石の磁束軸をｄ軸、それと直交する軸をｑ軸とした時、回転子鉄心の外周面のｑ軸側の一部をカットした点にある。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、高速過負荷領域の回転電機の力率を向上できる永久磁石式回転電機を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明では、固定子鉄心に形成された複数のスロット内に分布巻の電機子巻線が施された固定子を有し、回転子鉄心中の複数の永久磁石挿入孔に永久磁石を配置した回転子が、固定子の内周にギャップを介して回転軸により回転自在に支承された永久磁石式回転電機において、永久磁石の磁束軸をｄ軸、それと直交する軸をｑ軸とした時、永久磁石の形状を一文字形状とし、回転子鉄心のｄ軸側の外径を２段にして２種類のギャップを形成し、回転子鉄心の外周面のｑ軸側の一部を２段にカットしたことにより、永久磁石の磁束を増大させてｄ軸側のリアクタンスを減少させ、かつｑ軸側のリアクタンスを減少させているのでリアクタンストルクを発生させるための磁束が減少する結果、高速過負荷領域でリアクタンスが小さくなって力率が向上し、電流の増加を抑えることができる。
【０００９】
以下、本発明の実施例を図１〜図６を用いて詳細に説明する。各図中において、共通する符号は同一物を示す。また、ここでは４極の永久磁石式回転電機について示し、回転子の極数と固定子のスロット数との比を２：３とした。
【実施例１】
【００１０】
図１は本発明による永久磁石式回転電機の実施形態１の径方向断面形状、図２は本発明による図１の回転子の径方向断面形状と斜視図を示す。図１において、永久磁石式回転電機１は固定子２と回転子３から構成される。固定子２はティース４とコアバック５からなる固定子鉄心６と、ティース４間のスロット７内には分布巻の電機子巻線８（三相巻線のＵ相，Ｖ相，Ｗ相巻線からなる）から構成される。回転子３はシャフト（図示せず）孔９を形成した回転子鉄心１０の外周表面近傍に一文字形状の永久磁石挿入孔１１を形成し、永久磁石挿入孔１１中に希土類の永久磁石１２を固定している。永久磁石１２の磁束軸上にある鉄心が磁極鉄心１３となる。磁極鉄心１３の中心からの軸方向をｄ軸、それと電気角で直交する軸をｑ軸と呼んでいる。
【００１１】
回転子３は図２（ａ）に示す径方向断面形状と図２（ｂ）に示す斜視図に示すように、磁極鉄心１３の開度をθ１（回転子鉄心１０の外径Ｄ１）、磁極鉄心１３の段落としの開度をθ２（回転子鉄心１０の外径Ｄ２）、更なる段落としの開度をθ３(直線状にカット)、機械角６０度で電気角１８０度をθ４とした時、θ１を電気角で９０度近傍、θ２を電気角で１２０度近傍、θ３を電気角で１６３度近傍に設定している。本実施例によれば、永久磁石１２間の鉄心をダブルＶ字にカット（ダブルＶ字カット１４）し、永久磁石１２の端部の磁束変化を抑えている。
【００１２】
図３は永久磁石式回転電機と１８０度インバータの結線図を示したものである。永久磁石式回転電機１は三相電源３０１の電力を１８０度インバータ２０１を介して供給される。１８０度インバータ２０１は位置センサレスの電圧型インバータであり、整流回路202，平滑回路２０３，制御素子２０４，制御回路２０５から構成される。永久磁石式回転電機１の磁極位置は制御回路２０５内のマイクロコンピュータでベクトル演算を行ってセンサレスで算出される。永久磁石式回転電機１は運転指令に従って位置センサレスの１８０度電圧型インバータによって所望の回転速度および負荷（負荷４０１）で運転される。
【００１３】
図４には本発明による永久磁石式回転電機の位置センサレスの１８０度電圧型インバータで運転した時のモータ電流とモータ力率の関係を示したものである。従来の永久磁石式回転電機１の場合は負荷率１００％まではモータ電流およびモータ力率とも直線性を有しているが、それ以上の負荷を印加すると急激にモータ電流が増加し、かつモータ力率が低下する減少を見出した。これに対し、本発明の永久磁石式回転電機１は負荷率１００％以上でもモータ電流およびモータ力率がほぼ直線性を有することを確認した。この減少の原因についてはｑ軸鉄心が存在すると電機子反作用の磁束が多く発生し、これはｑ軸リアクタンスの増加になり、それに合わせてｄ軸リアクタンスが大きくなるためにモータ力率が低下し、モータ電流が急激に増加するものと考えている。
【００１４】
すなわち、従来の理論ではｑ軸リアクタンスが大きければ突極比が大きくなり、リアクタンストルクの有効利用によりモータ効率を向上できることになっている。モータ電流が増加すればリアクタンストルクの有効利用によりモータ電流の急激な増加がないはずである。
【００１５】
しかし、実際の実機で運転した場合には負荷率の１００％以上で急激にモータ電流が増加し、かつモータ力率が低下することを見出した。すなわち、モータ電流が大きくなると磁気回路の飽和も大きくなり、ｑ軸リアクタンスが小さくなる結果、モータ力率が低下しモータ電流が増加したものと考えられる。つまり、ｑ軸をカットしたことにより漏れ磁束が少なくなりリアクタンスが小さくなったため、力率の向上につながったと考えられる。漏れ磁束リラクタンストルクの有効利用について考えれば、図４で負荷率の１００％以下でも従来より本発明のモータ電流が小さくなることを確認した結果、元々リラクタンストルクの有効利用での特性向上が図れないものと言える。なお、本発明の対象としている永久磁石式回転電機はゼロ速度からではなく、速度範囲が定格速度の２０％〜１５０％の範囲のもので確認したものである。
【００１６】
以上で述べたモータ電流の急増現象は位置センサレスの１８０度電圧型インバータで運転した時、外乱となり、制御安定性を損なうことから、本発明の永久磁石式回転電機を用いれば安定した速度制御が実現できることになる。
【実施例２】
【００１７】
図５は本発明の永久磁石式回転電機の実施形態２の径方向断面形状を示すもので、図１と同一物は同一符号を付した。図５において図１と異なるのは回転子３のギャップを２段ではなく１段にしたものである。これによってｄ軸リアクタンスが減少するので図１と同様な効果が得られる。
【実施例３】
【００１８】
図６は本発明の永久磁石式回転電機の実施形態３の径方向断面形状を示すもので、図１と同一物は同一符号を付した。図６において図１と異なるのは回転子３の磁極鉄心１３中にスリット１５を設けたものである。これによってｑ軸リアクタンスが減少するので図１と同様な効果が得られる。
【００１９】
上述のように、上記実施例によれば、分布巻の電機子巻線が施された固定子と永久磁石の形状を一文字形状とし、回転子鉄心のｄ軸側の外径を２段にして２種類のギャップを形成し、回転子鉄心の外周面のｑ軸側の一部を２段にカットしたことにより、永久磁石の磁束を増大させてｄ軸側のリアクタンスを減少させ、かつｑ軸側のリアクタンスを減少させているのでリアクタンストルクを発生させるための磁束が減少する結果、高速過負荷領域でリアクタンスが小さくなって力率が向上し、電流の増加を抑えることができる。また、位置センサレスの１８０度電圧形インバータで駆動しても安定した制御性能が得られる永久磁石式回転電機を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明による永久磁石式回転電機の実施形態１の径方向断面形状を示す断面図。
【図２】本発明による図１の固定子の寸法形状の径方向断面形状を示す断面図。
【図３】本発明に係る永久磁石式回転電機と１８０度インバータの結線を示す図。
【図４】本発明に係る位置センサレスの１８０度電圧型インバータで運転した時のモータ電流とモータ力率の関係を示す図。
【図５】本発明による永久磁石式回転電機の実施形態２の径方向断面形状を示す断面図。
【図６】本発明による永久磁石式回転電機の実施形態３の径方向断面形状を示す断面図。
【符号の説明】
【００２１】
１…永久磁石式回転電機、２…固定子、３…回転子、４…ティース、５…コアバック、６…固定子鉄心、７…スロット、８…電機子巻線、９…シャフト孔、１０…回転子鉄心、１１…永久磁石挿入孔、１２…永久磁石、１３…磁極鉄心、１４…ダブルＶ字ｑ軸カット、２０１…１８０度インバータ、２０２…整流回路、２０３…平滑回路、２０４…制御素子、２０５…制御回路、３０１…三相電源、４０１…負荷。
【図１】
2006101608.tif 000003
【図２】
2006101608.tif 000004
【図３】
2006101608.tif 000005
【図４】
2006101608.tif 000006
【図５】
2006101608.tif 000007
【図６】
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